Ismerje meg az Ingenuityt: a csúcstechnológiás helikoptert, amelyet a Marson való repülésre terveztek

Amikor a NASA ezen a héten elindítja Mars-útjára a Perseverance rovert, egy társa lesz mellette a Az Atlas V rakéta orrkúpja: az Ingenuity nevű helikopter, amely a tervek szerint az első forgószárnyas repülőgép lesz, amely valaha egy másikon repül bolygó. Ez a kísérleti miniatűr helikopter a Mars-kutatás egy teljesen új területét nyithatja meg, miközben a bolygót a levegőből vizsgálja.

De ha úgy gondolja, hogy nehéz földi járművet megtervezni egy több száz millió mérföldre lévő bolygó körüli manőverezéshez, képzelje el, hogy megpróbálja olyan helikopter tervezése, amely olyan vékony atmoszférában repül, hogy alig van ott, fagyos hőmérsékleten, navigáció közben autonóm módon.

A NASA Jet Propulsion Lab Ingenuity projektjének vezető mérnökével és vezető tudósával beszélgettünk, hogy megtudjuk, hogyan csinálták ezt, és hogyan nézhet ki a Mars-kutatás jövője.

Példátlan kihívás

Egy másik bolygón repülni képes helikopter építése számos kihívással jár, amelyek közül a legégetőbb az, hogyan lehet valamit a levegőben tartani, amikor a légkör olyan vékony. A Mars légkörének sűrűsége mindössze 1%-a a Föld légkörének sűrűségének, ami 100 000 láb tengerszint feletti magasságnak felel meg. Annak bizonyítására, hogy ez mennyire nehezíti meg a repülést, a helikopteres repülés magassági rekordja a Földön valamivel több, mint 40 000 láb.

A helikopterek úgy dolgoznak, hogy a levegőt nagyon gyorsan mozgatják forgó lapátokkal, amelyek lefelé nyomják a levegőt, és emelést hoznak létre. De a Marson a vékony levegő nagyon csekély emelést nyújt, még akkor is, ha pengékkel mozgatják. Bár a tervezők némi segítséget kaptak abból, hogy a gravitáció alacsonyabb a Marson, a gravitációs erő alig több mint egyharmada A Földön továbbra is fennállt az a jelentős probléma, hogy olyan hajót készítsenek, amely csak vékony légkörrel képes működni val vel.

„A probléma megoldása az alacsony tömeg” – mondta Josh Ravich, az Ingenuity gépészmérnöke a Digital Trendsnek. Összességében az egész küldetés legnehezebb kihívása, a tömeg alacsony szinten tartása.” Az egész helikopternek 4 font alatt kellett lennie (1,8 kilogramm), amihez gondosan kiválasztott anyagok felhasználására volt szükség, és a fő alváz nagyon kicsi, 14 cm-es (5,5 hüvelyk) kocka. méretben.

A súlyprobléma pedig a mesterség egyéb vonatkozásait is korlátozza: „Egyensúlyoznunk kell a hogyanok között mennyi energiát szállíthat akkumulátorok formájában a jármű működtetéséhez, és milyen nagyok lehetnek a pengék” – mondta Ravich mondott. Az akkumulátorokra azért van szükség, mert az áramot a jármű tetején lévő napelem gyűjti össze, amely lehetővé teszi a jármű önálló töltését.

A helikopter lapátjainak nagynak kell lenniük – alig 1,2 méter fesztávolságúak –, hogy elegendő emelőerőt biztosítsanak a jármű repüléséhez. Ahhoz, hogy elég nagy és könnyű pengéket készítsenek, a csapat új anyagokat, köztük a szénszálhoz hasonló kompozitokat használt. Összesen négy penge van, két rotorba rendezve, amelyek mindegyike akár 2400 fordulat / perc sebességgel is forog, sokkal gyorsabban, mint a Földön a helikopterlapátokra jellemző körülbelül 500 fordulat / perc.

A hideg probléma

Egy másik anyagi újítást igénylő probléma volt a felszíni hőmérséklet, amely éjszaka akár mínusz 100 Fahrenheit-fok alá is eshet. Ilyen hidegben az elektronikus rendszerek nem működnek megbízhatóan, és a járműnek értékes energiát kell használnia, hogy melegen tudjon maradni. Így az Ingenuity csapata olyan megoldást talált ki, amely vékony szigetelőrétegeket alkalmaz a jármű finom elektronikai alkatrészei köré.

"Általában ezt úgy oldják meg, hogy sok vastag szigetelést helyeznek oda, azonban a szigetelés meglehetősen nehéz" - mondta Ravich. „Tehát végül magának az atmoszférának egy részét használtuk fel, ahogy a kacsának vagy a libának szigetelőréteg lenne a tolla alatt, a marsi légkörből származó gázt használjuk fel. Ha elég vékony hőtakarót használsz, egy kis szigetelést kaphatsz."

A hideg okozta utolsó bonyolító probléma az a probléma, hogy a nedvesítő anyagok hogyan reagálnak az alacsony hőmérsékletre. "A legtöbb helikopter a Földön fizikai rugalmas lengéscsillapítókkal rendelkezik, amelyek a helikopter középső kerékagyába jutó súlyt emelik" - mondta. Ezek a csillapítók elnyelik a nagyon nagy sebességgel forgó lapátok által okozott jelentős rezgéseket. „De ezek nem működnek olyan jól Mars-hőmérsékleten, ezért sokat kellett terveznünk, hogy merevebb rendszerként működjön.”

Egy autonóm felfedező

Nem lehet közvetlenül a Földről repülni a helikopterrel, mivel több perces kommunikációs késés van itt és a Mars között. Ehelyett az Ingenuity többnyire autonóm lesz, érzékelői segítségével érzékeli a körülötte lévő környezetet, és ennek megfelelően mozog.

Ehhez a feladathoz olyan fedélzeti műszereket fog használni, mint a navigációs kamera, a lézeres magasságmérő és a gyorsulásmérő giroszkóp, az úgynevezett inerciamérő egység (IMU). Ezekkel az eszközökkel a vízi jármű meg tudja határozni, merre tart, és milyen messze van a talajtól. Még bizonyos veszélyek észlelésére is képes, hogy elkerülje az útjába kerülő esetleges akadályokat.

Ez azt jelenti, hogy a földön lévő technikusok repülési tervet adnak a járműnek, majd az Ingenuity végrehajthatja azt, ahogy Ravich elmagyarázta: „A helikopter repülési módja az, hogy mi adjon meg egy repülési tervet, alapvetően egy repülési útvonalat, mondván: „pörgesd a lapátokat ennyi ideig, repülj át ide, fordulj meg, repülj át ide”… majd az Ingenuity elvégzi ezt a sorrendet maga."

A helikopternek kommunikációs hatótávolságon belül kell maradnia a roverrel, ami körülbelül egy kilométer, és ideális esetben közvetlen rálátással kell rendelkeznie. De ezen túlmenően az Ingenuity önállóan is tud működni, és a rover támogatása nélkül is tud tölteni, felszállni és leszállni. A terv az, hogy a helikopter egyszerre egy-egy kihívással küzdjön meg, hogy lássa, mennyire képes manőverezni a bolygó körül.

„Egyre bonyolultabb küldetések sorozatát fogjuk végrehajtani” – mondta Ravich. „Névlegesen a küldetés egy-három repülésből áll, de akár öt repülés is lehet, attól függően, hogy a dolgok hogyan alakulnak… Mindegyik repülés egy kicsit bonyolultabb lesz. Az első, felkelünk, lebegünk, leszállunk. A második lehet, hogy felemelkedni, megfordulni, esetleg mozogni egy kicsit, majd visszajönni és leszállni. A vége felé, ha a dolgok jól mennek, úgy dönthetnek, hogy felemelkednek, elrepülnek ezen az úton, és új leszállóhelyet keresnek, és azt tartják a hadműveletek következő bázisaként.”

A koncepció bizonyítása

Az Ingenuity-t nem tudományos küldetésnek szánják, ezért nem tudományos adatokat gyűjt – bár a szakértők remélik, hogy az általa gyűjtött adatok egy részét hasznosítani tudják majd. A küldetés célja annak bemutatása, hogy technológiailag megvalósítható forgószárnyas repülőgépet repülni egy másik bolygón, és mérnöki adatokat gyűjteni a jövőbeli Mars-helikopterek tervezéséhez.

Ez azt jelenti, hogy van bizonyos fokú rugalmasság a vízi jármű mozgásában, mivel nincs szükség arra, hogy a felszínen egy pontos helyre manőverezzen. A jármű valószínűleg néhány száz yardon belül marad a Perseverance rovertől, így ahhoz képest el tudja helyezni magát. „Bizonyos mértékig nem hiszem, hogy túlzottan számít, mennyire pontosak vagyunk repülés közben – a helikopter pontosan tudni fogja, hogy szerinte hol van” – mondta Ravich. „Magasabb szintről nem számít túl sokat, hogy 10 lábra így vagy 10 lábra van-e, amikor leszáll – mindaddig, amíg biztonságosan landol.”

Segítség a levegőből

Ha az Ingenuity koncepció a gyakorlatban az elvárásoknak megfelelően működik, a helikopterek felbecsülhetetlen értékűek lehetnek segítségnyújtás a jövőbeli rover-küldetésekhez, képek készítése a felszínről, valamint a feltárás felgyorsítása és még sok minden más pontos.

Matt Golombek, a marsi tudományos küldetések veteránja, aki a marsi leszállóhelyek kiválasztására szakosodott, és aki a fő kutató volt a Mars-helikopterre vonatkozó első javaslathoz elmagyarázta a Digital Trends-nek, hogy a helikopterek milyen előnyökkel járhatnak a jövőbeli kutatások során tevékenységek.

Felbontási rés pótlása

A jövőbeli helikopter-missziók egyik legértékesebb feladata az lenne, hogy nagy felbontású fényképeket készítsenek, hogy kitöltsék a Mars felszíni képeinek úgynevezett „felbontási rését”. Ez arra utal, hogy „a legnagyobb felbontású, pályánkénti képeink közötti különbség, amelyek körülbelül 25 centiméteresek (körülbelül 10 hüvelyk) képpontonként és ún. HiRISE képek, szemben azzal, amit a földön láthattunk a korábbi rover-küldetések során, ahol a felbontásunk közelebb van a 3 centiméterhez pixelenként” – mondta Golombek. – Ez körülbelül egy nagyságrend.

Bár a bolygó felszínéről a HiRISE műszerrel készített nagy felbontású képek hihetetlenül részletesek, tekintve, hogy a pályáról készültek, nem elég részletesek ahhoz, hogy bemutassák a föld szerkezeti jellemzőit, például a kiemelkedéseket, vagy hogy azonosítsák a tudományos érdeklődésre számot tartó területeket, például a roverek számára szükséges sziklákat. látogatás. Ezért a rovereknek fel kell fedezniük azt a területet, ahol leszállnak, hogy olyan sziklákat vagy más objektumokat találjanak, amelyek tudományos szempontból érdekesek a vizsgálat során.

A helikoptert felderítőként lehetne használni rover-küldetések során, és olyan képeket készíthet, amelyek részletesebbek, mint a pályáról lehetségesek. Ezek a képek felhasználhatók különleges tudományos érdeklődésre számot tartó területek azonosítására, így a csapat a legértékesebb kutatási célpontokhoz küldheti a rovert.

A roverek lefedettségi területeinek bővítése

A Mars-járók küldetéseivel kapcsolatban nem biztos, hogy észreveszed, hogy egy-egy rover milyen kis területet fed le, mivel korlátozott teljesítményük van a működéshez, és minden lépésüket alaposan meg kell tervezni. A kitartás például 3–12 mérföldet (5–20 kilométert) tesz meg fő küldetése során. A bolygó legtávolabbi roverje, az Opportunity pedig hihetetlen 28 mérföldet (45 kilométert) tett meg 14 éves élettartama alatt. Bármilyen lenyűgöző is ez egy távoli bolygót kutató rover számára, ezek a távolságok a Mars teljes felületének csak töredékét képviselik.

Egy rovernek például hetekbe telhet egy kilométer megtétele. Míg az Ingenuity mindössze 90 másodperc alatt képes akár egy kilométert is megtenni, bár a csapat nem tervezi, hogy az első küldetése során ilyen nagy sebességgel futtassa a helikoptert. A jövőbeli helikopterek azonban a bolygó sokkal nagyobb területét fedezhetik fel, és az általuk készített képek felbecsülhetetlen értékűek lennének a rover leleteinek tágabb kontextusba helyezéséhez. Az ilyen képek segítenék a tudósokat a bolygó globális geológiájának megértésében, és megmondhatják, hogy a rover által vizsgált területek reprezentatívak-e a nagyobb marsi környezetre.

A helikopter a vizsgálati terület kiterjesztésében is segíthet, mivel jelentősen lecsökkenti a rovereknek a felszín körüli navigációjához szükséges időt. Jelenleg a rover vezetési útvonalait a rendelkezésre álló legnagyobb felbontású képek alapján határozzák meg, de ezek a képek nem mindig mutatnak akadályokat vagy veszélyeket, így a járművezetőknek lassan kell navigálniuk és gondosan.

„Általában 60-100 métert tesznek meg egy nap alatt a roverek” – mondta Golombek. „De ha rendelkezne ezzel a nagy felbontású információval, az konkrétan megmondaná, hol lehet biztonságosan vezetni Az utak voltak, ezt könnyen megduplázhatta vagy megháromszorozhatta, és így sokkal gyorsabban eljuthatna a célhoz.”

Leszállási hely keresése

Mielőtt azonban egy rover felfedezhetné, le kell szállnia. És a leszállóhely kiválasztásának folyamata is előnyös lehet a légi támogatásból.

„A leszállási hely kiválasztása annak jellemzésének kombinációja, hogy mennyire biztonságos a felszínen a leszállás az Ön által tervezett és épített űrhajóval – A leszállók nem szeretik, ha nagy sziklák vannak alattuk, amelyek feldönthetik vagy felboríthatják őket, a meredek lejtők általában nem jók, és a nagyon bolyhos területek, amelyekbe belesüllyedhetsz, rossz választások – tehát van egy sor olyan, amit mérnöki korlátoknak nevezünk.” - mondta Golombek.

Ezeket a mérnöki korlátokat a Mars vékony légköre is bonyolítja, mivel ez megnehezíti a járművek számára, hogy ejtőernyőkkel lelassítsák magukat a leszálláskor. A csapatnak tehát figyelembe kell vennie a leszállóhely magasságát is, hogy a jármű ott biztonságosan le tudjon szállni.

„És akkor vannak tudományos céljai, amelyek az Ön által hordozott hasznos teher alapján és a a küldetés tudományos céljai – azok a dolgok, amelyeket meg szeretne tanulni és megtudni a Marsról” – mondta tovább. "És mindezeket együtt kell mérlegelnie, hogy olyan helyet találjon ki [leszállásra], amely biztonságos és tudományos szempontból is érdekes az adott küldetés számára."

Azok, akik kiválasztják a leszállóhelyeket, mint például a Golombek, nagyrészt a pályáról készített képekre támaszkodnak, hogy kitalálják, mely helyek felelnek meg ezeknek a kritériumoknak. A várttól való legkisebb eltérés pedig problémákat okozhat, például olyanokat, amelyeket a 2018-ban a Marson landoló InSight leszállóegység tapasztal. Az InSight csapatának sikerült egy megfelelően sík és szikláktól mentes helyet találnia, és a felületet alkotó anyagokkal kapcsolatos előrejelzéseik teljesen pontosak voltak. A leszállóegység felszíne alatti talaj azonban kissé eltér a várttól, mivel keményebb anyaggá, úgynevezett duracrusttá tömörítették. És ez sok problémát okozott a próbálkozás során temesse el a leszállóegység hőszondáját a felszín alatt.

„Mindig kétértelműek az orbitális adatok, amelyekből arra következtethetünk, hogy mi is van valójában a felszínen” – mondta Golombek. „Általában elmondható, hogy a leszállási hely kiválasztásánál nagyon jók voltunk a mérnöki korlátok mérésében és jellemzésében – a kőzet a bőség és a lejtők, és így tovább – főleg azért, mert a HiRISE képek elég nagy felbontásúak ahhoz, hogy nagy sziklákat lássanak és mérjenek lejtőkön. De egy kicsit kevésbé voltunk pontosak annak megértésében, hogy mit neveznék geológiai környezetnek. Vagyis hogyan alakult ki ez a terület, melyek voltak a főbb geológiai erők, amelyek alakították. Ez keményebb volt."

Mivel a pályáról készült képek korlátozott felbontásúak, nehéz átlátni a részleteket amelyek szükségesek a tudományos érdeklődésre számot tartó célpontok, például bizonyos üledékek legpontosabb azonosításához sziklák. Felbecsülhetetlen értékű lenne, ha sokkal nagyobb felbontású képeket készítenénk, mint amilyeneket helikopterrel is el lehetne készíteni olyan leszállóhelyek kiválasztása, amelyek biztonságosak voltak a járművek számára, és maximalizálták annak esélyét, hogy fontos tudományos eredményeket érjenek el megállapításait.

A helikopterek akár különféle műszereket is szállíthatnának, például földradarokat, amelyek közvetlenül megmondhatják a tudósoknak, hogy mi rejtőzik a Mars felszíne alatt.

Összefüggő:Talajradar betonhoz

Vadászat az életre felülről

A helikopterek azonban nem csak más küldetések támogatására használhatók. Egy ilyen gépet potenciálisan fel lehet szerelni bármilyen típusú kamerával, például radarral, infravörös vagy hőképes műszerekkel, amelyek felfedhetik a marsi talaj összetételét és ásványi összetételét.

Ez azért fontos, mert ezek az eszközök azonosítani tudnak bizonyos ásványokat, például agyagot, amelyek víz jelenlétében keletkeznek. Azok a területek, ahol nagy sűrűségűek ezek az agyagásványok, kulcsfontosságú célpontok az ott találhatók-e valamikor élet lehetett a Marson.

A tudósok számára a legérdekesebb kutatási célpontok a meredek sziklák, vagy az erózió következtében kialakult meredek sziklák, mivel ezek felfedik az idők során lerakódott kőzetrétegeket. Ezeket a rétegeket nézni olyan, mintha visszanéznénk a marsi történelembe. Mivel azonban meredekek és sziklásak, ezeket a területeket a roverek nehezen fedezhetik fel, és nagyon óvatosan kell eljárniuk. Az Opportunity rover például egy egész évet töltött azzal, hogy óvatosan körbejárja az egyik ilyen lejtő szélét leképezni, miközben „az ilyen képeket néhány nap alatt megszerezhette volna egy helikopter” – Golombek mondott.

Arra a kérdésre, hogy van-e olyan hely a Marson, amelyet személyesen szeretne helikopterekkel felfedezni, Golombek nevetett. – Több százan, ezren vannak! ő mondta. „A Mars felszíne hasonló a Föld víz feletti felszínéhez. Gondolj a Grand Canyon és a Himalája, a tengerparti övezetek és a belső terek közötti különbségekre. Annyi különböző hely van, amely érdekes dolgokat árul el.”

Eszközök a marsi eszköztárban

Mindkét szakértő egyetértett abban, hogy a Mars-kutatás jövője nem a helikopterek vagy a roverek kérdése, hanem az, hogy mindkettőt a különböző feladatokhoz kell használni.

„Szívem szerint mérnök vagyok, tehát számomra ezek mind szerszámok a szerszámosládában” – mondta Ravich. „Az olyan légköri testek esetében, mint a Mars, határozottan támasztják alá, hogy egy légi jármű a válasz arra, amit tenni akar. Ha le akarsz menni egy nagy lyukba, mint egy kanyon, vagy ha meg akarsz mászni egy hegyet, ez lesz a legjobb válasz. De mindig van határa annak, hogy mit tudunk szállítani – ezért olyan könnyűek a madarak, és nem az elefántok –, így mindig több tudományt végezhet, és többet szállíthat [földi] járművel.”

A különféle típusú járművek szükségessége még egyértelműbbé válik, amikor az emberek belépnek a képbe, amikor jövőbeli emberes Mars-küldetéseket terveznek. – Valószínűleg mindkettőre szükségünk lesz – mondta Ravich. „Ha a mai embereket nézzük, a földi járművekkel és a légi járművekkel érintkezünk, és nem látom, hogy ez megváltozna.”

Szerkesztői ajánlások

• Kozmológiai ingázás: Az emberek Marsra helyezésének trükkös logisztikája
• Mesterséges légkör: Hogyan építsünk bázist lélegző levegővel a Marson
• 7 perc terror: A Perseverance őrült Marsraszállási sorozatának meghibásodása
• A marsi por nagy problémát jelent az űrhajósok számára. Íme, hogyan küzd ellene a NASA
• Hogyan keres majd életet a NASA Perseverance Roverje a Marson